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将体系填充到模拟盒中

把几百个分子按几何约束塞进模拟盒子，还不产生空间冲突 — 用 molpy 的 Packmol 包装器，在 Python 里直接搞定。

前置条件

Packmol 是 molpy 对 Packmol 可执行文件的轻量包装器：它负责写输入脚本、调用 packmol 外部进程、把结果读回 Frame。使用前请安装 Packmol 并将 packmol 加入 PATH（或显式指定路径：Packmol(executable="/path/to/packmol")）。

更倾向于纯 Python 的填充工具？试试 molcrafts-molpack

我们的 molcrafts-molpack 是一个纯 Python 原生填充工具，Rust 实现的 Packmol 移植版，支持集体约束且无需外部二进制文件。执行 pip install molcrafts-molpack；它使用相同的 molrs Frame 接口，可以无缝接入以下工作流。不妨一试。

填充解决的问题

构建一个分子只能得到一个分子。模拟需要的是盒子——往往要几百上千个分子不重叠地排列在一起。手动操作（网格、随机插入）要么浪费体积，要么产生重叠。

molpy 的 Packmol 包装器把填充目标（分子 + 数量 + 允许区域）收拢起来，交给 Packmol 无冲突地摆进盒子，最后返回一个填充好的 Frame。

填充一个盒子

from molpy.pack import Packmol, InsideBoxConstraint

p = Packmol(workdir="pack_out")                      # Packmol 临时文件的工作目录
p.def_target(
    water,                                   # 一个 molrs Frame（单个分子）
    number=500,                              # 拷贝份数
    constraint=InsideBoxConstraint(length=30.0),   # 限制在 30 Å 立方体内
)
packed = p(max_steps=1000, seed=42)  # -> 一个填充好的 Frame

调用 p(...) 就会运行 Packmol 并直接返回填充好的 Frame。注册多个 def_target 可以在一次运行中填充混合物（例如溶质 + 溶剂）。

组件说明

对象 作用
Packmol(executable=None, workdir=None) molpy 的 Packmol 包装器，管理填充任务。workdir 存放 Packmol 的临时文件；executable 指向特定的 packmol 二进制文件。
def_target(frame, number, constraint) 注册 number 份 frame 拷贝，受 constraint 约束。返回 Target。
packer(max_steps=1000, seed=None, pbc=None) 运行 Packmol 并返回填充好的 Frame。pbc 提供周期性盒子用于最小镜像距离。

约束目录

约束限制目标的拷贝可以放在哪里。用 AndConstraint / OrConstraint 组合多个约束。

约束 效果
InsideBoxConstraint(length, origin=(0,0,0)) 分子位于原点处边长为 length 的轴对齐立方体内部。
OutsideBoxConstraint(origin, lengths) 分子位于盒子外部（挖出一个空腔）。
InsideSphereConstraint(radius, center) 分子位于球体内部。
OutsideSphereConstraint(radius, center) 分子位于球体外部。
MinDistanceConstraint(dmin) 分子彼此相距至少 dmin（避免碰撞）。
AndConstraint(a, b) / OrConstraint(a, b) 同时满足 / 满足任一子约束。 
from molpy.pack import InsideSphereConstraint, MinDistanceConstraint, AndConstraint

# 在 20 Å 球体内，且彼此间距不小于 2.5 Å
c = AndConstraint(
    InsideSphereConstraint(radius=20.0, center=(0.0, 0.0, 0.0)),
    MinDistanceConstraint(dmin=2.5),
)

重要参数

  • number — 每个目标的拷贝数。总原子数 = Σ(份数 × 每分子原子数)，直接影响内存和 Packmol 运行时间。
  • max_steps — Packmol 的放置步数。盒子难以收敛时增大此值，快速草稿时可减小。
  • seed — 控制随机种子，固定后可重现完全相同的填充结果。
  • 盒子尺寸 vs number — 体积内分子过多会让 Packmol 难以收敛甚至失败；留出余量，或分阶段填充。

常见陷阱

  • 找不到 packmol — 运行立即失败。安装 Packmol，或将路径传给 Packmol(executable=...)。
  • 盒子过密导致无法收敛。如果 optimize 停滞，放大盒子约束或减少 number。
  • 返回的是普通 Frame；后续步骤如果需要周期性盒子，自行附加盒子/周期性信息。

另请参见